Разработка и исследование микропроцессорных систем управления электроприводами собственных нужд с индукторными двигателями

Диссертационная работа посвящена вопросам анализа разных типов электроприводов (ЭП) вспомогательных нужд транспортных средств городского и пригородного электрического транспорта (ЭТ), и разработке переспективного типа ЭП для мотор-компрессоров и мотор-вентиляторов. Показано, что таким электроприводом является вентильный ЭП с транзисторным преобразователем и трехфазным двигателем индукторного типа, разработка и исследование которого является главной задачей этой работы.

В настоящее время для вспомогательных нужд (СИ) ЭТ используются главным образом, электроприводы постоянного тока и асинхронные электроприводы с релейно-контакторным управлением. В гл. 1 будут проанализированы недостатки этих ЭП и возможности использования электроприводов переменного тока с электронными преобразователями. Среди последних в зарубежной и отечественной технической литературе большое внимание уделяется вентильным электроприводам с разными типами синхронных двигателей. Рассмотрим некоторые итоги работ в области вентильного электропривода с нетрадиционными для широкого применения индукторными двигателями (ИД).

На рис. В.1 показан поперечный разрез и схема коммутации трехфазного ИД, который был установлен в 1838 году на первом в мире английском трамвае [43].

Эта конструкция и схема питания ИД образца XIX века вновь стала одной из самых популярных в 90-х годах при мощностях 1 -103 кВт и в широком диапазоне скоростей.

A A’i.

Рис. B. l Поперечный разрез ИД с отношением полюсов 6/4(а) — схема соединения И питания фаз (б). ип — напряжение источника постоянного тока;

UAUb, Uc — однополярные импульсы фазных напряжений- 0Эл (120°, 240°, 360°) -интервалы углов включения фаз в эл. градусах.

Двигатель имеет 6 прямоугольных зубцов статора и 4-х полюсный безобмоточный ротор, выполненный из шихтованной стали. По соотношению полюсов — зубцов статора (Zc) и ротора (Zp) современные ИД принято разделять на типы. Двигатель на рис. В.1 относится к типу 6/4- а наиболее распространенные ИД имеют сотношение полюсов: 8/6, 12/8, 16/12 и т. д.

Последовательным или параллельным включением катушек противоположных полюсов образуются фазы А, В, С, которое.

5 5 обычно объединяются в трехлучевую звезду с общей точкой, А, В, С. Циклическая коммутация механических контактов в круговой последовательности К1-К2-КЗ-К1-. обеспечивает последовательные угловые перемещения ротора, стремящегося занять положение с минимальным магнитным сопротивлением (максимальной индуктивностью) для каждой возбужденной фазы. Именно по этой причине ИД принято относить к электрическим машинам с переменным магнитным сопротивлением [84].

По английской терминологии ИД, работающие в вентильном режиме, называются Switched Reluctance Motors (SRM) [50]. В названии подчеркивается специфика управления инвертором в функции от углового изменения собственных индуктивностей фаз.

А' а) ип.

К1.

КЗ тшт ««>1*6. Л.

К2 Х.

ВНРпри этом осуществляется коммутация фазных токов, а не реактансов двигателя.

Еще в 60-х годах [136] и совсем недавно проф. Курбасовым А. С. [112, 113] было предложено называть ИД — параметрическим двигателем, ибо его принцип действия основан на циклическом изменении главного параметра — индуктивности Ljf (Q)> а вентильное управление базируется на отслеживании закона изменения ¿-Д®-) при угловом повороте 0 ротора двигателя.

Во многих отечественных статьях и книгах ИД относят к классу синхронных реактивных машин (СРД) [44, 53], которые имеют гладкий статор с распределенной (обычно трехфазной) обмоткой и различные конструкции ротора, несимметричного в магнитном отношении. Чаще всего СРД выполняются на базе серийных асинхронных двигателей (АД) и питаются синусоидальными напряжениями от сети или стандартных трехфазных инверторов [132].

В [160, 161] дано всестороннее сравнение СРД и ИД и показано, что они относятся к разным классам электрических машин, хотя имеют одну и ту же природу образования электромагнитного момента, возникающего за счет переменного магнитного сопротивления воздушного зазора или фазных индуктивностеи.

Главными отличительными свойствами ИД являются: двойная зубчатость магнитопровода, сосредоточенные фазные обмотки, обычно однополярные токи произвольной формы или разнополярные при внешнем возбуждении, разные (противоположные при Zp.

В англоязычной литературе электроприводы с ИД называют Switched Reluctance Drives (SRD), а в отечественной — вентильно индукторные приводы (ВИП) [134]. Исключение коллекторатрудоемкого и ненадежного элемента конструкции двигателя постоянного тока подчеркивается в более точном, чем «вентильный» термине «бесколлекторный двигатель постоянного тока» — БДПТ: «Brushless DC Motor» [44, 53]. В отечественной и зарубежной технической литературе так именуются вентильные электроприводы, выполненные на базе синхронных двигателей (СВД) с активным (возбужденным), а не пассивным ферромагнитным ротором, как у ИД и СРД. Современные СВД выполняются с явнополюсными роторами (2р=2 — 8), имеющим возбуждение от постоянных магнитов (феррит бария, самарий — кобальт и т. д.) или специальной обмотки. БДПТ заменили обычные коллекторные двигатели в высокотехнологичных областях (роботои спецтехника, мехатроника и т. д.), где приоритетными качествами являются: минимальная удельная (на единицу массы или объема) мощность Руд, момент Муд, динамические и энергетические показатели, а не цена и технологичность. Современные серийные электроприводы с СВД отличаются превосходными динамическими и регулировочными характеристиками, имеют диапазон рабочих моментов Мн=(0,5 -150) Нм, номинальных частот вращения Пн= (50 — 6000) об/мин и высокий КПД (лн= 0,85 — 0,95) [58, 161].

Естественно, что ИД на рис. В.1 с механической коммутацией фаз по всем показателям проигрывал появившимся позже машинам постоянного и переменного тока. По этой причине индукторные машины до 50-х годов использовались преимущественно в качестве высокочастотных генераторов (Рг ^ 1500 кВт, f < 40 кГц) и микродвигателей [61, 160, 161]. Освоение транзисторных ключей и цифровых микросхем позволило в 60 — 70 г. г. разработать на базе «т"-фазных ИД весьма эффективные разомкнутые системы шагового дискретного электропривода (ДЭП). Органическая приспособленность ДЭП к управлению цифровыми сигналами от ЭВМ позволила создать и широко внедрить в промышленность металлорежущие станки с ЧПУ, манипуляторы, механизмы прокатных станов и т. д.

Интенсивные исследования шаговых электроприводов проводились во всех промышленно развитых странах. Ведущая роль принадлежит ученым МЭИ — проф. Чиликину М. Г., проф. Ивоботенко Б. А. и др., под руководством которых научным коллективом кафедры АЭП создана теория расчета и разработаны промышленные серии индукторных и магнитоэлектрических т-фазных шаговых двигателей малой мощности [47, 48, 99].

Однако свойства обычных транзисторов ограничивали мощность ДЭП до 1,5 кВт, а частоты инверторов до нескольких кГц, что не позволяло использовать ИД в транспортных системах.

Промышленное освоение сильноточных транзисторов (IGBT) и тиристоров с полевым управлением (IGTC) позволило создать мощные электронные преобразователи для машин переменного тока, в первую очередь для АД и СВД.

Таким образом, к началу 80-х годов сложились технические и теоретические предпосылки для разработки опытных образцов ВИП, состоящих из предельно простой и дешевой индукторной машины и весьма надежного электронного коммутатора с микропроцессорным управлением.

Приоритет в создании тягового ВИП (Рн = 35 кВт) принадлежит проф. П. Лоуренсону [26, 84] (университет г. Лидс, Великобритания), известному специалисту в области индукторных ШД и теории поля. В опытном макете использовался трехфазный ИД типа 6/4 с бифилярно намотанными фазными катушками, что позволило выполнить однополярный инвертор не на 6, а на 3-х ключах типа GTO. Весьма серьезные достоинства ВИП позволили организовать компанию SRDL, выпустившую первую промышленную серию 3-х и 4-х фазных ИД различной конфигурации (Рн = 4−35 кВт).

Масса статей, докладов и т. д., написанных сотрудниками П. Лоуренсона, напомнило ситуацию с появлением индукторных ШД и ДЭП. За этим последовала волна исследований, публикаций на тему ИД и ВИП во всех промышленно развитых странах.

По лицензии компании Switched Reluctance Drives Ltd. (SRDL) английская фирма Allenwest выпустила общепромышленные электроприводы 7,5 — 22 кВт, a Jeffrey Diamonds — электроприводы 35 — 200 кВт для шахт и других отраслей с тяжелыми условиями работы. В настоящее время фирма SRDL работает с мощностями до 450 кВт. В 1994 году на фирме SRDL, приобретенной позже У американской компанией Emerson Electric Co. — крупнейшим в мире поставщиком электрических моторов, находилось в разработке около 28 проектов с использованием SRM. По мнению ведущих зарубежных специалистов, только в Англии и США к 2000 г. новыми ВИП будут оснащены от 40 до 60 промышленных изделий для различных областей техники.

Американская фирма Magna Physics поставляет электроприводы мощностью от 10 Вт до 1500 Вт для бытовой техникиитальянская фирма Sicme Motori в кооперации с SRDL выпустила серию приводов RELU — SPEED мощностью от 9 до 140 кВт, 3000 об/мин для тяжелых условий работы и агрессивных сред в металлургической и химической промышленности [50, 84, 97].

Итоги развития зарубежных вентильных электроприводов с СВД и ИД отражены в монографиях проф. Миллера Т. [50, 66] (г. Глазго, Speed Laboratory) и в статьях [84, 98, 101].

Все ведущие университеты США включились в исследования и разработку вентильных приводов, для промышленности, автомобильного и водного транспорта. Ведущая роль принадлежит отделу электрических машин и компьютерной техники во главе с проф. Липо Т. А. (университет штата Висконсин). Разработаны ИД с распределенной и сосредоточенной обмоткой, оригинальные конструкции дисковых двигателей с возбуждением от РЗМвыведены уравнения, удобные для объективного сравнения разных машин переменного тока и т. д. [79, 100, 109, 121].

Отечественные ВУЗы, НИИ и некоторые заводы занимаются разработкой ИД и вентильных электроприводов. Наиболее существенные результаты достигнуты в следующих ВУЗах:

МЭИ:

1. На кафедре «Электромеханика» под руководством проф. Кузнецова В. А. защищено 2 кандидатских диссертации.

2. На кафедре АЭП под руководством проф. Ильинского Н. Ф. защищена докторская диссертация Бычковым М. Г. [134] и три кандидатских.

3. На кафедре ЭиЭА под руководством проф. Маслова С. И. ведутся исследования ИД для спецтехники и общепромышленного применениязащищены 3 кандидатские диссертации.

В НГТУ под руководством проф. Жуловяна В. В. защищено две докторских диссертации: Шевченко А. Ф. [141] и Калужского Д. А. [148]. Работы посвящены созданию промышленных образцов СВД и тихоходных (пн= 20 — 50 об/мин), высокомоментных (Мн= 20 -10 000 Нм) ИД. Эти двигатели серии ДЭР имеют рекордно высокие удельные моменты (Муд= 3−7 Нм/кг) и предназначены для тяжелых условий работы в технологических установках алюминиевой промышленности, пневмоударниках и прямых приводах запорной арматуры.

В вышеперечисленных исследованиях главное внимание уделяется теории расчета, моделированию полей «т"-фазных ИД с дискретно распределенными обмотками и обобщенным преобразованиям координат всех современных машин переменного тока.

Работы по транспортным электроприводам проводились в следующих институтах:

1. МАИ, проф. Бут Д. А. — работы в области мощных линейных индукторных двигателей с магнитным подвесом [44, 153].

2. МЭИ, кафедра «Электрический транспорт» — под руководством доц. Сафронова А. В. защищена 1 кандидатская диссертация [159].

3. ВЭЛНИИ и НИИ, кафедра «Электрические машины» г. Новочеркасска под руководством доц. Коломейцева Л. Ф. выполнена разработка индукторных тяговых электродвигателей на мощности 300 и 1000 кВт и защищены кандидатские диссертации [115, 116].

Работы также ведутся на заводах ЯЭМЗ, НЭВЗ, «РАТЕП», АЭК «Динамо», НПО «Татэлектромаш», ЗАО «Кросна-Электра» и др.

Несмотря на многочисленные зарубежные и отечественные публикации по современным «т"-фазным индукторным машинам многие вопросы их разработки и исследования еще остаются нерешенными, особенно с учетом специфики их питания, управления и использования в тяжелых условиях эксплуатации на электрическом транспорте. Создание ВИП для этих целей с требуемыми технико-экономическими характеристиками является комплексной задачей, требующей совместного выбора и согласования свойств всех компонентов электропривода: ИД, электронного преобразователя, датчиков положения ротора и процессора, обеспечивающего оптимизацию алгоритма управления вентильного режима работы. Именно этими обстоятельствами обусловлена актуальность темы настоящей работы, важность которой также подтверждается низкой надежностью коллекторных двигателей постоянного тока и существенными расходами на их на их эксплуатацию и ремонт электроприводов мотор-компрессоров троллейбусов, трамваев (Санкт-Петербург), вагонов метрополитена и пригородных электропоездов.

Целью работы является разработка опытно-промышленного образца вентильно-индукторного привода для мотор-компрессоров подвижного состава, создание инженерной методики проектирования ВИП и исследование его основных технических характеристик.

Основными задачами, решаемыми в данной работе являются:

— анализ условий работы мотор-компрессоров и обоснование технических требований к переспективному типу электропривода, отвечающего уровню развития современной техники;

— сравнительная характеристика приводных двигателей и обоснование выбора типа двигателя для собственных нужд подвижного состава (ПС);

— разработка технологичного и надежного индукторного двигателя, отличающегося невысокой стоимостью, минимальным расходом активных материалов и ремонтопригодностью в условиях мастерских депо;

— создание инженерной методики расчета ИД для собственных нужд городского электрического транспорта (ГЭТ);

— использование линеаризованной модели ИД для расчета основных параметров и характеристик ВИПа ч".

— разработка и создание простого и надежного датчика положения ротора двигателя для управления электронным коммутатором;

— выбор типа и разработка опытного макета электронного преобразователя для управления ИД с целью обеспечения требуемых характеристик, перегрузочной способности, производительности и коэффициента полезного действия;

— создание и программная реализация системы автоматического управления, реализующей оптимизацию законов управления ИД, защиты ВИП и его диагностикиразработка и создание мехатронного модуля мотор-компрессора, включающего микропроцессорную систему З’правления, транзисторный инвертор, высоковольтный источник питания, ИД, датчик положения ротора. Мехатронный модуль выполнен в едином герметичном корпусе с двумя высоковольтными вводами 550 В, в размерах заменяемой серийной машины постоянного токаразработка испытательного стенда для исследования электромеханических и энергетических характеристик электропривода в длительном и повторно-кратковременном режиме работы, типичных для различных исполнений мотор-компрессоровпроведение экспериментальных исследований опытно-промышленных образцов ИД для внедрения их в серийное производство и потверждения теоретических положений.

Методы исследования: аналитические методы интегрирования дифференциальных уравнений, компютеризированная разработка и отладка программы управления вентильным режимом ИД, методика экспериментального определения параметров и характеристик электропривода.

Научная новизна:

— выполнен анализ условий работы электроприводов мотор-компрессоров троллейбусов, вагонов метрополитена, электропоездов и трамваев и обоснованы технические требования к современному типу электроприводовI.

— предложена инженерная методика расчета основных параметров ИД с учетом особенностей эксплуатации ПС и жестких требований, предъявляемых к современным транспортным электроприводамразработан оптимальный алгоритм управления ИД, обеспечивающий требуемые механические характеристики и пусковые свойсва при широком диапазоне рабочих температур, колебаний сетевого напряжения и т. дна базе чего написана программа процессорного управления ВИП.

Положения выносимые на защиту:

— уточненные технические требования и ограничения к переспективным типам электроприводов мотор-компрессоров подвижного составасистема микропроцессорного управления вентильно-индукторным электроприводом, обеспечивающая надежную работу в номинальном и аварийном режимах;

— результаты инженерной методики расчета и испытаний опытно-промышленного образца ВИП.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

— показано, что при больших воздушных зазорах, высокой перегрузочной способности, характерных для всех типов электродвигателей ПС, ИД работает без существенного насыщения стали, что позволяет применять упрощенный аналитический расчет его основных параметров;

— разработанная методика инженерного расчета ИД позволяет получить приемлемую точность расчетов главных размеров и параметров двигателя и технико-экономических показателей ВИП для мотор-компрессоров;

— разработан и создан мехатронный модуль мотор-компрессора на базе ИД, в едином герметичном корпусе с двумя высоковольтными вводами, способный заменить существующую машину постоянного тока;

— на основе экспериментов, выполненных на испытательном стенде установлено, что данные инженерных расчетов с достаточной для практики точностью согласуются с результатами испытаний;

— комплекс всесторонних расчетов и испытаний позволил двигателем. ., частотой вращения 0.

1200 об/мин, перегрузочной способностью 3 -7- мехатронный модуль принят для серийного внедрения;

— результаты работы нашли практическое применение на заводе «РАТЕП» в г. Серпухов, НПО «Татэлектромаш» и могут быть использованы в различных транспортных организациях и НИИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ:

1. Тезисы докладов для Московской студенческой научно-технической конференции «Проблемы радиоэлектроники-96», Москва, март 1996, стр. 59. «Тиристорный преобразователь для привода вспомогательных нужд троллейбуса».

2. Тезисы докладов для Московской студенческой научно-технической конференции «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве», Москва, февраль 1997, стр. 179. «Привод с ШВТ модулями и 81Ш двигателями для вспомогательных нужд ПС.

3. Тезисы докладов для Ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов ВУЗов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве», Москва, февраль 1998, том 2, стр. 82. «Разработка привода компрессора троллейбуса с индукторным двигателем».

4. Тезисы докладов для Ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов ВУЗов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве», Москва, февраль 1998, том 2, стр. 83. «Электропривод компрессора троллейбуса с использованием индукторного двигателя». создать электропривода с.

ГЭТ".

5. Тезисы докладов Пятой Международной научно технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, март.

1999, том 2, стр. 223. «Разработка алгоритмов управления приводом с индукторным двигателем мотор — компрессора троллейбуса».

6. Тезисы докладов Шестой Международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, март.

2000, том 2, стр. «Разработка системы управления приводом с индукторным двигателем мотор — компрессора троллейбуса».

Состав диссертации. Диссертация из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложенийколичество страниц 177, рисунков 70, число наименований использованной литературы 163 на 12 страницах, приложения 3 на 15 страницах.

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТРЕБОВАНИЙ К ДВИГАТЕЛЯМ МОТОР-КОМПРЕССОРОВ.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы особенности работы и схемы пневматических систем троллейбусов, вагонов метрополитена, электропоездов и трамваев. На основе анализа статистики отказов мотор-компрессоров обоснованы и сформулированы технические требования к переспективным типам электроприводов собственных нужд ПС.

2. Выполнено сравнение электроприводов мотор-компрессоров с коллекторными ДПТ, АД и синхронными двигателями с активным и пассивным ротором, а также ИД.

3. Показано, что ВЙП с ИД является предпочтительным по отношению к другим приводам постоянного и переменного тока, рассмотренными в работе. При этом весьма существенными показателями предложенного привода являются: простота (грубость) конструкции, технологичность изготовления, минимальный расход активных материалов, высокая надежность, лучшая ремонтопригодность в тяжелых условиях работы привода на транспорте.

4. На основании сравнения различных типов ИД, отличающихся числом фаз, структурой магнитопровода, алгоритмами вентильного управления и т. д., показано, что предпочтительным для привода мотор-компрессоров является трехфазный ИД с самовозбуждением, имеющий соотношение числа зубцов статора и ротора 12/14 и одно-полярную систему фазных токов.

5. Создана инженерная методика расчета элементов магнитной системы ИД, на основании которой выполнен расчет двигателя мощностью 6 кВт, с частотой вращения 0 — 1200 об/мин и перегрузочной способностью 3−7.

6. Выбраны и разработаны основные элементы электронного преобразователя тока в соответствии с техническим заданием, для управления опытным макетом ИД.

7. Проведено сравнение различных типов САУ вентильно-индукторного привода на основании чего разработана система микропроцессорного управления на базе микроЭВМ АТ89С52, а также простой и надежный фотоэлектрический датчик положения ротора со световодами.

8. Написана и отлажена программа управления обеспечивающая реализацию основных рабочих режимамов и защиту от основных видов повреждений привода.

9. Разработан испытательный стенд для исследования электромеханических и энергетических характеристик электропривода и проведен комплекс испытаний опытно-промышленного образца электропривода для мотор-компрессора. Полученные результаты подтвердили правильность расчетов и адекватность принятой в диссертации линеаризованной математической модели ИД.

10. Результаты диссертацонной работы использованы при создании 3-ех головных образцов электропривода мотор-компрессоров по интегрированной схеме, подвижного состава городского и магистрального транспорта на заводе «РАТЕП» в г. Серпухов,.

Заключение

.